氢化丁腈基体中氢氧化单甲基丙烯酸锌的化学反应行为及其对材料力学性能的热致衰减性影响

Based on the fact of the solid phase radical polymerization for Hydroxyl Zinc Mono MethAcrylate (HZMMA), this project will mainly investigate modification and reaction reinforcement mechanisms of HZMMA on hydrogenated nitrile-butadiene (HNBR) rubber. The influence of a novel composite structure on the properties of the HNBR rubber will be clarified. The structure is formed by in situ HZMMA reactions from the condensation between hydroxyl groups by zinc atom,homopolymerization and graft reaction through chemical crosslinking to main chains of HNBR. The mutual interdependency between the mechanical properties and structure evolution of zinc monomethacrylate will be obtained during vulcanization process of the HNBR rubber. The synergistic reinforcing behavior between P-HZMMA micro-size particle and carbon black will be studied, and the intrinsic relationship lying among the material structure, morphology and the mechanical properties will be deciphered as a theoretical rationale. According to the effect of temperature on the structure and mechanical properties of the HNBR rubber, a possible composited structure model will be developed with superior high temperature performance.It is hoped that this project would establish a scientific basis to solve the common key scientific problems during processing for high-performance rubber composites.

基于氢氧化单甲基丙烯酸锌（HZMMA）在自由基引发下可以发生固相自由基聚合反应的实验现象，本项目采用原位ATR-FTIR 研究氢氧化单甲基丙烯酸锌（HZMMA）在氢化丁腈(HNBR)橡胶基体中的化学反应动力学及其化学反应增强机理；研究因HZMMA分子的羟基缩合而“原位”生成“-Zn-O-Zn-”交联键与其双键发生自由基聚合反应生成离子聚合物（P-HZMMA）互穿/接枝氢化丁腈分子主链的复合结构对性能的影响，获得HZMMA的结构演变规律与力学性能的相关性；研究P-HZMMA微尺度粒子与炭黑粒子的协同增强行为，揭示橡胶复合材料的形态、结构与高温力学性能间的相关规律；研究复合材料的结构、力学性能对温度的敏感性，提出具有优异高温力学性能的橡胶复合结构模型，为解决高性能橡胶复合材料加工行业存在的共性科学问题奠定科学基础。

基于不饱和有机金属化合物——氢氧化单甲基丙烯酸锌（HZMMA）在橡胶硫化工艺中发生非均相自由基聚合反应的实验现象，本项目采用原位ATR-FTIR从分子水准研究橡胶的硫化工艺的方法，研究了氢氧化单甲基丙烯酸锌（HZMMA）在氢化丁腈(HNBR)橡胶基体中的化学反应行为及其化学反应增强机理。在引发剂DCP的作用下，HZMMA在硫化工艺阶段既能形成离子均聚物P-HZMMA，又能和氢化丁腈橡胶主链发生交联反应形成接枝交联结构，由针状晶体变成无定型的P-HZMMA微纳粒子，表现出化学交联和物理交联共存的交联效果和增强效应。随着HZMMA含量的增加，氢化丁腈橡胶的拉伸强度、撕裂强度100%定伸强度和硬度都呈增加趋势，但其扯断伸长率下降、永久变形变大、弹性变差，加工制品表面易出现细小裂纹，加工性能变差。.为了改善加工效果和材料的弹性，研究了HZMMA与炭黑的协同增强效应橡胶复合材料的力学性能与环境温度间的相关性。HZMMA与炭黑协同增强HNBR橡胶复合材料效果明显，粒径较大的N774和HZMMA的协同作用要低于粒径较小的炭黑N220和HZMMA的协同增强效果，当混合炭黑（N220\N550\N774）与HZMMA协同增强时，氢化丁腈橡胶既能表现出较好的弹性又能表现出较好的力学性能。.围绕高温环境氢化丁腈的热稳定性研究，提出了HNBR橡胶复合材料的老化机理及抑制老化的研究方案，形成了制备耐老化高性能氢化丁腈橡胶复合材料的关键制备技术。在高温环境介质中，与氰基基团相连的碳原子上的氢原子均裂产生自由基引发分子间交联反应成为老化的主要原因。项目使用生物质硅碳替代传统的炭黑与HZMMA增强剂协同作用，提高氢化丁腈橡胶复合材料的耐老化能力。 .在本基金项目资助下，项目关于生物质硅碳/单甲基丙烯酸锌协同增强氢化丁腈橡胶的研究成果得到了产业化应用，提高了深层油气资源开发和采油工程与工艺的科学技术水平，对促进老油田及非常规油气藏的高产稳产具有重要的意义。